水性涂料之树脂、超分散剂

及防腐活性纳米材料

朱爱萍

教授/博士生导师

扬州大学

朱爱萍、毛正和、纪立

军等

2012年 10月18日

扬州大学

扬州市伊丽特高分子材料科技有限公司

水性涂料之树脂、超分散剂及

防腐活性纳米材料

朱爱萍

扬州大学

江苏维特金属防腐科技有限公司

扬州市维纳复合材料科技有限公司

2022年 3月25日

2022江苏省涂料年会

报告内容

1、行业背景及现状

2、涂料树脂创新及应用成果

3、防腐纳米复合材料

4、新型超分散剂

5、涂料技术创新

6、金属防腐应用案例

1、溶剂型涂料（油漆）的危害——低VOC排放

 溶剂大都具有毒性，且具有挥发性，严重污染环境并影响健康；

 有机溶剂易燃易爆，存在严重的安全隐患。

油漆厂火灾

一、行业背景及现状

水性涂料的性能问题

水性涂料在技术性能方面与溶剂型产品相比，有不足之处；需

要开发高性能水性涂料树脂。

水性涂料的施工问题

水性涂料以水为分散介质，挥发速度慢，特别是在低温、潮湿

环境下有待提高。

水性涂料用高效超分散剂

涂层拥有溶剂型涂料的据水性能。

一、行业背景及现状

水性涂料的需求越来越大，多个关键问题至今未能得到有效突破

2、不环保的含重金属防腐材料需要替代，需要更加高效绿色防腐活性功能材料

热浸镀锌工艺 一、行业背景及现状

铬钝化工艺

环氧富锌底漆

二、涂料树脂创新及应用成果

发展：高性能水性涂料树脂——丙烯酸酯

接枝环氧树脂

丙烯酸酯接枝环氧树脂乳胶（EPA）

（复合、室温交联）

C O

CH3 CH3 C C C C OH

H H H2 O

CH3 CH3 H2C C C H H2 O O

O n C C CH2 O

H2 H

.

C O

CH3 CH3 C C C C OH

H2 H H2 O

CH3 CH3 H2C CH2 C H

O O

O n C C CH2 O

H2 H

C C CH2 O

H2 H

C O

CH3 CH3 C C C C OH

H H H2 O

CH3 CH3 H2C C C H H2 O O

O n KPS

Monomers CH

C=OOCnH2n+1 CH2 C(H,CH3)

选用油性涂料常用的两类树

脂水性化复合，通过优势互

补，大幅度提高树脂性能。

普通乳胶难以室温交联，引

入环氧树脂的复合乳胶即可

实现室温交联，通过交联提

高树脂性能。

EPA界面相容性得到明显提升

c:复合乳胶膜的SEM形貌图

a:混合乳胶膜断面

b:复合乳胶膜的断面

不相容，性能差

相容，性能优异

d:复合乳胶膜的DSC图

接枝效率的提高，改善了两相的相容性。

AP Zhu et al.Polymer Composites 2009, 31（5）: 807-815.

EPA的产业化

(a)规模生产装置 (b)产品包装

朱爱萍等 水性环保全丙接枝环氧树脂乳液及制备方法

200910181932.X.（授权专利）

拓展了水性涂料的工业应用

AP Zhu et al. Advanced Materials Research 2011 (287-290): 249-252. 项目通过中国石油和化学工业联合会鉴定

（1）成功研制了丙

烯酸酯接枝高环氧树

脂复合乳胶，产品贮

存稳定、可室温交联；

（2）整体技术处于

国际先进水平。

EPA在水性金属防腐涂料中的应用

性能检测结果

序号 检验项目 技术要求 检验结果 本项结论

1 在容器中状态（底漆漆组分） 搅拌后无硬块，

呈均匀状态

符合要求 合格

2 施工性 涂刷二道无障碍 符合要求 合格

3 最低成膜温度（底漆漆组分） ≤15℃ 11 合格

4 挥发性有机化合物（VOC）

(底漆)，g/L

≤50 17 合格

5 干燥时间（表干），h ≤1 通过 合格

干燥时间（实干），h ≤12 通过 合格

6 划格试验，级 ≤1 1 合格

7 耐冲击性，cm 50 50 合格

8 耐酸性（浸入5%H2SO4

144h）

不起泡、不生锈、

不脱落，允许轻微

变色、失光

很轻微变色 合格

9 耐碱性（浸入5%NaOH溶

液中168h）

不起泡、不生锈、

不脱落，允许轻微

变色、失光

很轻微变色 合格

10 耐中性盐雾试验

（50μm）

600h

不起泡、不生锈、

不脱落，划痕处单

向扩蚀≤2.0mm

划线处单向锈蚀

1.9 mm，未划

线区无变化

合格

EPA在水性金属防腐涂料中的应用

性能检测结果 续

成功应用案例一：卷钢涂料修复

化工塔

环卫车

钢构厂房卷钢屋面修复

成功应用案例二：水性金属防腐涂料

化工塔

环卫车

水处理设备外防

成功应用案例三：水性地坪涂料

家居地坪 工业车间地坪

地下车库地坪 人防地坪

成功应用案例四：水性混凝土防腐涂料

仪征化纤冷却塔的修复

化工管架修复

2010年

产品具有耐酸、耐碱、耐热水

成功应用案例五：混凝土构建修复

有机-无机纳米杂化

裂缝粘合剂

灌缝腻子

防水、防开裂腻子

混凝土防腐涂料

水性环氧磷酸酯接枝丙烯酸（P-EPA）（烘烤型）

集环氧树脂防腐、丙烯酸酯耐侯与韧性以及磷酸与金属的络合

特点于一体，通过优势互补，大幅度提高水性树脂性能。

环氧磷酸酯化反应

环氧磷酸酯接枝

丙烯酸酯水性树脂

制备的涂料，50μm厚度，耐盐雾高达700h

成功应用一：水性卷钢涂料

化工塔

环卫车

成功应用案例二：替代热浸镀锌工艺

家居地坪

成功应用案例三：水性变压器外防腐底漆

三、防腐纳米复合材料创新

发展：绿色、智能、长效防腐添加剂——

以碳纳米材料（石墨烯、碳纳米管表面复

合聚苯胺）

现有纳米材料的防腐机理及问题

石墨烯

纳米片状结构的高效阻隔水、氧以及腐蚀介质的渗透

① GNP/PANI

TEM CV，pH=7

Zhu AP, Wang HS. POLYM. COMPOS., 2018,39:2915-2921

防腐性能相比石墨烯提高6.3倍，相比聚苯胺提高2.6倍

②CNT/PANI

结构示意图

②CNT/PANI

PANI

CNT-PANI(1:8)

CNT-PANI(1:4) CNT-PANI(1:2)

③ 短纤维PANI

在涂料中添加0.25wt%，耐盐雾性能提高25%~50%

PANI基防腐活性机制

填充PANI复合材料的涂层电化学腐蚀防护——负极反应场所转移

1. 纳米阻隔效应

2. 可逆的金属表面催化钝化

3. 阴极保护

4. 缓释形成致密的金属螯合物

四、超分散剂

纳米涂料开发的关键在于纳米材料的水稳

定分散体的制备——超分散剂

四、超分散剂

DC-2

DW-1 石墨烯水性浆体系，用量为1%

对无机粉体水体系，用量0.01-0.1%

四、超分散剂

CNT/PANI GNP/PANI

水分散稳定性

五、涂料技术创新

将GNP@CaCO3开创性应用于涂料领域，发明了无溶剂环氧石墨烯防腐

涂料产品

性能指标

无溶剂

（本项目）

环氧富锌

（阿克苏）

提升幅度

力学

性能

附着力(MPa) 16 10 38%

流挂性 (μm) >675 >300 56%

耐化

学品

耐盐雾(h)/厚度 4000/100 μm 1000/300 μm 75%

耐酸性(d) 30 7 77% n 国家涂料质量监

督 检 验 中 心

TW171872

相比环氧富锌涂料本项目产品厚度减薄2/3、耐盐雾关键技术指标提高4倍

五、涂料技术创新

将GNP/PANI功能复合材料首次应用于无溶剂涂料，耐盐雾相比石墨烯涂

料提高3倍，满足了国防重防腐需求；将CNT/PANI功能复合材料创新性

地应用于水性涂料，发明了水性环氧纳米防腐涂料产品

性能指标

水性体系

（本项目）

油性环氧

（阿克苏）

提升幅度

力学

性能

附着力 (MPa) 12 8 33%

VOC (g/L) 86 >250 -191%

耐化

学品

耐盐雾 (h) 1440 800 44%

耐酸性 (d) 7 不耐酸

相比溶剂型环氧涂料，关键技术指标耐盐雾提高44%，

突破了水性涂料不如油性涂料的技术瓶颈

n 国家涂料质量监督检验

中心TW183538-1W1

五、涂料技术创新

科技成果通过了中石化联合会组织的鉴定（2018年）

鉴定结论：

制备的碳纳米/聚

苯胺复合材料易于

在涂料树脂中均匀

分散，通过高效阻

隔、电子传输以及

金属钝化催化作用，

获得了智能金属防

腐材料。整体技术

达到国际先进水平

五、涂料技术创新

技术指标先进性

典型产品

技术指标

耐盐雾(h)/厚度

经济环境指标 技术先进性

水性纳米防腐涂料

（本项目）

1440/100μm

VOC<60g/L

18元/m2

厚度减薄2/3，

VOC降低5/6，

耐盐雾提高80%

油性环氧富锌涂料

（阿克苏）

800/300μm

VOC>300g/L

20元/m2

无溶剂石墨烯涂料

（本项目）

4100/100μm VOC<10g/L

20元/m2

厚度减薄2/3，

耐盐雾提高17%，

无溶剂防腐涂料 成本降低43%

（阿克苏）

3500/300μm

VOC<50g/L

35元/m2

水性纳米烘烤涂料

（本项目）

1000/80μm

环保

11元/m2

耐盐雾提高38%

热浸镀锌

（有污染）

720/80μm

不环保

18元/m2

五、涂料技术创新

国家涂料质量监督检验中心的检测报告

五、涂料技术创新

创新了涂料行业的标准

由扬州大学牵头起草的纳米涂层材料标准有力地推动了涂料行业

迈向环保与可持续发展

起草单位：

扬州大学

维纳复合材料

六、金属防腐应用案例

无溶剂环氧石墨烯重防腐涂料

无气喷涂一遍，厚度为100m

附着力高、高效阻隔，实现100m，

耐中性盐雾超过4000h的技术指标。

1. 移动式污水处理装置内防 扬州臻微生物技术有限公司

水性带锈转化过程与效果

六、金属防腐应用案例

涂装前 水性带锈+无溶剂石

墨烯+水性耐候 工程效果

2. 通讯铁塔防腐工程

解决了无法采用热浸镀锌防腐问题的应用

四川绵阳恒盛通信网络工程有限

六、金属防腐应用案例

江苏瑞祥化工有限公司

涂装前 工程效果

工程简介：7000多平米氯碱车

间不停产防腐施工，带锈涂装

处理，工期1个月，要求无火施

工. 无气喷涂石墨烯重防腐涂料1道，水性耐候聚氨酯面涂

1道；从2017年11月初至12月底结束，代替富锌底漆

防腐性能不长效问题，缩短施工时间，无需企业停产

施工，取得非常高的经济效益！防腐设计寿命3年！

3. 氯碱车间重防腐工程应用

六、金属防腐应用案例

1. 微弧氧化铝合金基材，

涂层附着力>14MPa

2. 海洋环境15年不锈蚀

项目产品 应用单位 应用工程 应用效果

CNT/PANI

无溶剂防腐涂料

中船重工十二所 舰船动力

薄涂、耐磨、

长效防腐

国防设计要求：

4. 海洋导弹发射底座防腐 中船重工十二所

六、金属防腐应用案例

第三轴梁涂刷铁锈转化剂 第三轴梁涂刷石墨烯改性环氧 第三轴梁涂刷氟碳面漆

5.湿热酸腐蚀环境中钢构防腐 芬欧汇川（中国）有限公司

六、金属防腐应用案例

1-5 轴防腐前

1-5轴防腐后

5.湿热酸腐蚀环境中钢构防腐

六、金属防腐应用案例

青岛海尔智能技术研发有限公司

石墨烯粉末涂料

1. 耐盐雾>3000h

2. 海洋环境10年不锈蚀

满足南海地域防护要求

6.南海地区空调外机壳体防腐工程

六、金属防腐应用案例

河北热镀锌公司

水性纳米改性丙烯酸氨基烤漆

7.替代热浸镀锌 防腐工程

六、金属防腐应用案例

耐盐雾400h

7.替代热浸镀锌 防腐工程

热

浸

镀

锌

水

性

纳

米

烤

漆

耐盐雾0 h 耐盐雾76h

六、金属防腐应用案例

8. 扬力集团的水性涂料替代溶剂型涂料

水性单组份底漆

水性双组份橘纹漆

硬度：2H

光泽：80

科技获奖

科技成果推广应用，需要企业的助力。

创新创业人才培养，需要企业的参与。

展 望

创新校（研发）企（应用）合作模式，

整合校（人才）企（市场、生产）资源，

实现校（成果转化）企（转型升级）

合作共赢